吹填土区桥台路基不均匀沉降控制技术研究

陈骁浙，刘翰辰，丁明稳

1.腾达建设集团股份有限公司，上海 200120；2.浙江工业大学岩土工程研究所，浙江 杭州 310000

0 引言

桥头跳车现象是公路运营中常见的病害，发生的在桥梁和路基交界处。桥头与路堤发生高低不一的错位，当汽车经过此处时遇到障碍，导致颠簸、跳跃现象发生。不均匀沉降、填料压实度、刚度突变、车速等都是引起桥头跳车的重要原因［1］。当前高速公路基本以沥青混凝土路面为主，但桥梁与道路的基础结构却存在一定差异［2］。桥梁的基础结构整体为刚性结构，而高速公路的结构基本以柔性结构与刚性结构混合为主，因此导致桥梁基础与道路基础的承载力存在明显差异，同时桥台与台背路面在结构上也存在一定差异，最终形成桥头跳车问题。桥头跳车会影响行车舒适度［3］，限制行车速度，并且降低行车的安全性。若因桥头跳车引发较为严重的安全事故，会造成经济损失和社会影响［4］。

本文采用有限元软件Midas GTS 进行建模，分析桩加固地基对道路沉降的影响，对桥台路基不均匀沉降控制技术进行研究。

1 工程概况

本工程依托于台州市东部新区的月湖南路跨长浦河桥。该区块地质条件表层为吹填土层，含水量高，压缩性高，孔隙比高，强度低；其下存在深厚淤泥质土，性质也是三高一低。软弱土层的存在使得桥头基础变刚度处极易发生不均匀沉降，进而诱发桥头跳车。

2 计算模型建立

2.1 地基模型的建立

因为不同地层之间具有很大的差异性，土体变形受众多因素影响，导致地基土体具有复杂的变形特性。学者们为了对土体进行深入了解，提出许多土体的本构模型方便开展研究。本文为了更好地得到合理计算结果，将土层分为吹填土、淤泥质黏土和粉质黏土三层，使用修正摩尔库伦模型进行模拟。

2.2 模型计算参数的确定

2002 年，许宏发根据桩土接触的接触模型和库仑摩擦变形原理，得到了与结构之间的剪切力学参数。发现桩土接触参数不仅与桩体本身几何性质材料性质有关［5］，更与接触土层性质及土层分布密切相关。土体的物理参数根据地勘报告中给出的土性确定。

土层计算参数确定原则：

（1）对地质报告中的有土工参数的，取土工试验参数推荐值；

（2）对于没有具体给出的计算参数，根据《工程地质手册》取经验值。

表1 土层物理试验指标成果表

2.3 模型的网格划分及边界设置

几何模型X 轴沿桥走向，Y 轴垂直地面向上。土层与路面使用2D 面单元网格划分，桥桩及加固桩使用1D 梁单元网格模拟。在路面上施加线荷载模拟车辆荷载。

模型边界设置：顶部为自由面，不设置任何约束，对底面施加XY 两个方向的约束，对周围两侧施加法向约束，对桥桩基顶部及加固桩顶施加三个方向的旋转约束。桥桩与桥面位置设为刚性连接。模型的土层选用修正摩尔—库伦本构。模型中的加固桩为高压旋喷桩，采用梁单元进行模拟，通过材料、几何参数对其进行定义。模型如图1 所示。

图1 网格划分

2.4 试验方案

第一步，研究不同加固桩长对路面沉降的影响。在距离桥端60m 范围内，分别将加固桩长设置为0m、9m、12m、15m、20m、25m，施加相同的路面荷载进行计算分析。

第二步，研究不同阶梯式加固桩长分布对路面沉降的影响。通常在接近桥端的地方沉降最大，然后路面沉降会随着与桥端的距离增加而减小。离桥较近的地方使用更长的加固桩，远离桥的地方使用较短的加固桩，使加固桩形成阶梯状变化。将距离桥端以15m 为单位，分成4 个区域：距离桥端0～15m 为区域1，15～30m 为区域2，30～45m 为区域3，45～60m 为区域4。渐渐减短远处区域的加固桩长，对比不同情况时的加固效果。分别设置以下情况：20|20|15|15、20|15|15|15、20|15|12|12、20|15|12|9。

第三步，研究加固桩体积基本相同情况下的沉降对比，设置以下情况：15|15|15|15和20|15|12|12。假设加固桩长1m为一个单位体积，两种情况下，加固桩体积量分别为60 个单位和59各位单位，都在60 个左右单位量。前者代表桩长均匀分布，后者则是桩长按照阶梯式分布，进行计算分析。

3 计算结果分析

3.1 不同桩长对路面沉降的影响

表2 不同加固桩长时的沉降值

可以看出，当桩长从0m 增加至25m，路端沉降值减小，起到地基加固的效果。桩长从15m 增至20m，路端沉降降幅为9.3%，桩长从20m 增至25m，路端沉降降幅为7.4%。桩长超过20m 后，再增加桩长时加固效果增幅减弱。

当桩长从0m 增加至25m，桥端沉降基本不变，说明使用桩对路端地基加固时，对桥端影响不大。对路端进行桩加固后，路-桥沉降差明显减小，说明加固措施取得了良好的效果。

3.2 阶梯式加固桩分布对路面沉降的影响

表3 阶梯式加固桩分布时的沉降值

随着桩长的减小，路端沉降值逐渐增大。当距离桥端较远处的加固桩适当减小，加固桩对地基的加固效果影响不大。

桩长由20|20|20|20变为20|20|15|15时，路端沉降由6.89mm增加到7.23mm，路桥沉降差由4.09mm增加到4.42mm。而桩长由20|20|15|15变为20|15|12|9时，路端沉降由7.23mm增加到7.59mm，路桥沉降差由4.42mm增加到4.77mm。以桩长1m为1 个体积单位，前者减少10 个体积单位，路端沉降值增幅4.9%，路桥沉降差值增幅8.1%。后者减少13 个体积单位，路端沉降值增幅4.9%，路桥沉降差值增幅7.7%。说明在远离桥端的区域减少相同体积量的加固桩时，路面沉降的增加值更小。

在距离桥端近处选较大的桩长，远离桥端时逐渐减小桩长，形成阶梯式布置，可以在一定范围内减少加固桩用量时使沉降增幅较小，保证地基加固的有效性。

3.3 加固桩体积基本相同情况下的路面沉降对比

表4 加固桩体积量基本相同时的沉降值

桩长15|15|15|15和20|15|12|12情况下进行对比，后者的加固桩体积用量比前者少1 个单位，而路端沉降减少0.9%，路桥沉降差减少1.9%。由此可见，在一定范围内桩的体积量相同时，随着离桥端的距离增加，桩由长至短呈阶梯式分布，加固效果更好。

4 结语

本文针对使用高压旋喷桩对地基的处理进行研究，得到以下结果：

（1）随着加固桩长度增加，路端沉降以及路-桥沉降差值逐渐减小，桥端沉降几乎不变。当桩长大于20m 后再增加，路端沉降降幅减缓。

（2）距离桥端较远处的桩长适当减小，对加固效果影响不大。

（3）距离桥端近处选择较大桩长，远离桥端时逐渐减小桩长，形成阶梯式布置，可以在一定范围内减少加固桩用量时使路面沉降增幅较小，保证地基加固有效。

（4）一定加固范围内桩的体积量相同时，随着离桥端的距离增加，桩由长至短呈阶梯式分布，加固效果更好。